De voordelen van een laserkanaal ten opzichte van een radiokanaal zijn ten eerste dat er geen radio-interferentie ontstaat; ten tweede is het vertrouwelijker; ten derde kan het worden gebruikt onder omstandigheden van blootstelling aan hoge niveaus van elektromagnetische straling.

Schematisch diagram zender wordt getoond in Fig. 1. De zender bestaat uit een commando-encoder gemaakt op een ATtiny2313-microcontroller (DD1), een uitgangsblok op BC847V-transistors (VT1, VT2) en een RS-232-interface, die op zijn beurt bestaat uit een DB9-F-connector (voor kabel) (XP1) en niveau-omzetter - op MAX3232 (DD3).

Het resetcircuit van de microcontroller bestaat uit de elementen DD2 (CD4011B), R2, C7. Het uitgangsblok is een elektronische schakelaar gemaakt op transistor VT1, in het collectorcircuit waarvan deze is verbonden via een stroombegrenzer op transistor VT2 laserpen. De zender wordt gevoed door een constante gestabiliseerde spanning van 9 - 12 V. Microcircuits DD1, DD2, DD3 worden gevoed door een spanning van 5V, die wordt bepaald door de 78L05-stabilisator (DA1).

De DD1-controller is geprogrammeerd in de BASCOM-omgeving, waardoor hij opdrachten kan verzenden persoonlijke computer(PC) via RS-232-interface, vanaf de Bascom-terminal, met behulp van de “echo”-functie.

De microcontroller heeft klok frequentie 4 MHz van interne oscillator. Pakketten pulsen met een frequentie van ongeveer 1,3 KHz vanaf de OS0A (PB2)-uitgang worden aan het uitgangsblok toegevoerd. Het aantal pulsen in een pakket wordt bepaald door het nummer van het commando dat van de pc wordt ontvangen.
Om een ​​opdracht in te voeren, moet u op een willekeurige toets op het pc-toetsenbord drukken. Wanneer de woorden "Schrijfopdracht" en "Enter nr. 1...8" verschijnen, voert u een getal van 1 tot 8 in en drukt u op "Enter". sleutel.

Het programma voor de zendermicrocontroller “TXlaser” bestaat uit een hoofdlus (DO...LOOP) en twee interruptverwerkingsroutines: voor ontvangst (Urxc) en voor timer 0 overflow (Timer0).

Om een ​​uitgangsfrequentie van 1,3 KHz te verkrijgen, is de timer geconfigureerd met een frequentiedeelfactor (Prescale) = 1024. Bovendien begint het tellen vanaf de lagere waarde Z = 253 (op een hoog niveau op PB2) en bereikt 255. Een timer overflow-interrupt treedt op wanneer de verwerking hiervan de uitgang van PB2 schakelt, en de timer opnieuw wordt ingesteld op de waarde Z = 253. Er verschijnt dus een signaal met een frequentie van 1,3 KHz aan de uitgang van PB2 (zie figuur 2). In dezelfde subroutine wordt het aantal pulsen op PB2 vergeleken met het opgegeven aantal, en als ze gelijk zijn, stopt de timer.

In de subroutine voor het verwerken van ontvangstonderbrekingen wordt het aantal pulsen ingesteld dat moet worden verzonden (1 – 8). Als dit aantal groter is dan 8, wordt de melding “ERROR” weergegeven op de terminal.

Tijdens de werking van de subroutine is de PD6-pin aanwezig laag niveau(HL1 LED is uit) en de timer is gestopt.
In de hoofdlus op pin PD6 - hoog niveau en de HL1-LED brandt.
Tekst van het programma "TXlaser":

$regfile = "attiny2313a.dat"
$kristal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framegrootte = 32

Config Pind.0 = Voer "UART - RxD
Config Portd.1 = Uitgang "UART - TxD
Configuratie Portd.6 = Uitgang "LED HL1
Config Portb.2 = Uitgang "uitgang OC0A

"timerconfiguratie 0-deelfactor=1024:
Configuratie Timer0 = Timer, Voorschaal = 1024
Stop Timer0 "stop de timer

Dim N As Byte "variabele definitie"
Dim N0 als byte

Const Z = 253 "ondergrens van het aantal timers voor uitgangsfrequentie = 1,3 KHz
Timer0 = Z

Op Urxc Rxd "ontvang een subroutine voor interruptverwerking
Aan Timer0 Puls "overlooponderbrekingsroutine"

Schakel Urxc in
Schakel Timer0 in

Doe "hoofdlus
Stel Portd.6 in en schakel de HL1-LED in
Lus

Rxd: "onontvangen
Stoptimer0
M1:
Print "Schrijf commando"
Invoer "Voer nr. 1...8:" in, N0 "opdrachtinvoer
Als N0 > 8 Dan "beperk het aantal opdrachten
Afdrukken "Fout"
Ga naar M1
Stop als
Nee = N0 * 2
N0 = N0 - 1 " ingestelde waarde aantal pulsen in een verpakking
Schakel poortb.2 in
Start Timer0 "start de timer
Opbrengst

Puls: "overflow interrupt verwerkingsroutine"
Stoptimer0
Schakel poortb.2 in
Reset Portd.6 "zet de LED uit
Timer0 = Z
N = N + 1 "toename van het aantal pulsen
Als N = N0 Dan "als het aantal pulsen = gespecificeerd
N=0
Nee = 0
Wachttijd 500 "vertraging 0,5s
Anders
Start Timer0 ", anders ga je door met tellen
Stop als
Opbrengst
Einde "einde programma

De zender is gemaakt op een printplaat van 46x62 mm (zie figuur 3). Alle elementen, behalve de microcontroller, zijn van het SMD-type. De ATtiny2313-microcontroller wordt gebruikt in een DIP-pakket. Het wordt aanbevolen om hem in het paneel voor DIP-chips TRS (SCS) - 20 te plaatsen om hem “pijnloos” te kunnen herprogrammeren.

Printplaat De zender TXD.PCB bevindt zich in de map “FILE PCAD”.
Het schematische diagram van de laserkanaalontvanger wordt getoond in figuur 4. Aan de ingang van de eerste versterker DA3.1 (LM358N) verzwakt een laagdoorlaatfilter gevormd door de elementen CE3, R8, R9 en met een afsnijfrequentie van 1 KHz achtergrondruis van 50 -100 KHz van verlichtingsarmaturen. Versterkers DA3.2 en DA4.2 versterken en verlengen de duur van ontvangen pulsen nuttig signaal. De comparator op DA4.1 genereert een uitgangssignaal (één), dat wordt geleverd via de omvormers van de CD4011D (DD2) chip - DD2.1, DD2. Het signaal komt synchroon aan bij de contacten van de microcontroller ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) en PB3. Timer0, die in de externe pulstelmodus werkt, en Timer1, die de tijd van deze telling meet, worden dus synchroon gelanceerd. Controller DD1, die de functie van een decoder vervult, geeft de ontvangen commando's 1...8 weer door log.1 in te stellen op de PORTB-pinnen, respectievelijk PB0...PB7, terwijl de aankomst van een volgend commando het vorige reset. Wanneer het commando “8” bij PB7 arriveert, verschijnt log.1, dat met behulp van elektronische sleutel op transistor VT1, schakelt relais K1 in.

De ontvanger wordt gevoed met een constante spanning van 9 -12V. De analoge en digitale delen worden gevoed door 5V-spanningen, die worden bepaald door stabilisatoren van het type 78L05 DA5 en DA2.

In het RXlaser-programma is Timer0 geconfigureerd als een teller van externe pulsen, en Timer1 als een timer die de periode van het passeren van het maximaal mogelijke aantal pulsen telt (commando 8).

In de hoofdcyclus (DO...LOOP) wordt Timer1 ingeschakeld wanneer de eerste commandopuls wordt ontvangen (K=0), de voorwaarde voor het mogelijk maken van het opnemen van timer Z=1 wordt gereset.
Wanneer in de interruptverwerkingssubroutine de Timer1-telling samenvalt met de waarde van de maximaal mogelijke telling, wordt het opdrachtnummer gelezen en ingesteld in PORTB. De voorwaarde voor het inschakelen van Timer1 is ook ingesteld - Z=0.
Tekst van het RXlaser-programma:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$kristal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framegrootte = 32

Ddrb = 255 "POORTB - alle uitgangen
Poortb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-invoer
Poort = 255" pull-up PORTD
Config Timer0 = Teller, Prescale = 1, Edge = Dalend "als pulsteller
Config Timer1 = Timer, Prescale = 1024, Clear Timer = 1" als timer
Stoptimer1
Timer1 = 0
Teller0 = 0

"variabele definitie:
Dim X als byte
Dim Comm als byte
Dim Z als bit
Dim K als bit

X=80
Compare1a = X "aantal pulsen in het matchregister
Z=0

Op Compare1a Pulse "onderbreek je de routine per ongeluk

Schakel onderbrekingen in
Schakel Vergelijk1a in

Doe "hoofdlus
Als Z = 0 Dan "eerste voorwaarde voor het inschakelen van de timer
K = Poort.3
Als K = 0 Dan "tweede voorwaarde voor het inschakelen van de timer
Starttimer1
Z=1
Stop als
Stop als
Lus

Pulse: "subroutine interruptverwerking bij toeval
Stoptimer1
Comm = Counter0 "gelezen van de externe pulsteller
Comm = Comm - 1 "definitie van het bitnummer in de poort
Portb = 0 "poort op nul zetten
Stel Portb.comm in "stel de bit in die overeenkomt met het opdrachtnummer
Z=0
Teller0 = 0
Timer1 = 0
Opbrengst
Einde "einde programma

De programma's "TXlaser" en "RXlaser" bevinden zich in de map Lazer_prog.

De ontvanger bevindt zich op een bord van 46x62 mm (zie afb. 5). Alle componenten zijn van het SMD-type, met uitzondering van de microcontroller, die in een paneel moet worden geplaatst voor DIP-chips van het type TRS(SCS) - 20.

Het instellen van de ontvanger komt neer op het instellen van de end-to-end transmissiecoëfficiënt en de responsdrempel van de comparator. Om het eerste probleem op te lossen, moet u een oscilloscoop aansluiten op pin 7 van DA4.2 en door de waarde van R18 te selecteren, de end-to-end transmissiecoëfficiënt instellen waarbij de maximale amplitude van de geluidsemissies die op het scherm wordt waargenomen niet zal optreden. groter zijn dan 100 mV. Vervolgens schakelt de oscilloscoop over naar pin 1 van DA4.1 en wordt door het selecteren van een weerstand (R21) het nulniveau van de comparator ingesteld. Door de zender in te schakelen en de laserstraal op de fotodiode te richten, moet u daar zeker van zijn rechthoekige pulsen aan de uitgang van de comparator.
De ontvangerprintplaat RXD.PCB bevindt zich ook in de map FILE PCAD.

Het is mogelijk om de ruisimmuniteit van het laserkanaal te vergroten door het signaal te moduleren met een hulpdraaggolffrequentie van 30 – 36 KHz. Modulatie van pulstreinen vindt plaats in de zender, terwijl de ontvanger een banddoorlaatfilter bevat amplitude detector.

Het diagram van een dergelijke zender (zender 2) wordt getoond in figuur 6. In tegenstelling tot zender 1 die hierboven is besproken, heeft zender 2 een hulpdraaggolfgenerator afgestemd op een frequentie van 30 kHz en gemonteerd op slots DD2.1, DD2.4. De generator zorgt voor modulatie van uitbarstingen van positieve pulsen.

Hierop wordt de laserkanaalontvanger met een hulpdraaggolffrequentie (ontvanger 2) gemonteerd binnenlandse microschakeling K1056UP1 (DA1). Het ontvangercircuit wordt getoond in figuur 7. Om commandopulsen te isoleren, is een amplitudedetector met een laagfrequent filter en een pulsnormalisator gemonteerd logische elementen DD3.1, DD3.2, diodesamenstel DA3 en C9, R24. Anders valt het circuit van ontvanger 2 samen met het circuit van ontvanger 1.

Radiogolven zijn niet het enige communicatiemiddel met buitenaardse beschavingen. Er zijn andere manieren, zoals lichtsignalen. Omdat het lichtsignaal een enorme afstand zal moeten afleggen, moet het over de nodige eigenschappen beschikken: voldoende energie hebben om dit pad te overwinnen. Het is gemakkelijk in te zien dat optische projectoren niet geschikt zijn voor het verzenden van dergelijke lichtsignalen. Ze creëren uiteenlopende lichtstralen. Hoe verder je van de spotlight verwijderd bent, hoe breder de lichtbundel wordt. Over grote afstanden is het ook erg groot. Dit betekent dat de energie per oppervlakte-eenheid erg klein is.

Als je de modernste optische spotlight gebruikt, die een lichtbundel (bundel) creëert van slechts een halve graad breed, dan is de door de spotlight gecreëerde lichtvlek al op een afstand van 50 kilometer 450 meter. Zo'n spotlight op aarde zal een lichtpuntje met een diameter van 3000 kilometer op de maan creëren! Het is duidelijk dat in dit geval de lichtenergie over een groot gebied wordt verspreid en de verlichting van het oppervlak veel minder wordt dan wanneer deze plek slechts 10 of 100 meter zou zijn. De vlek gevormd door het zoeklicht van de aarde op het oppervlak van de maan kan niet worden gedetecteerd. Maar de maan staat naast ons. Wat blijft er over van de energiedichtheid op afstanden van honderden lichtjaren? Bijna niets. Daarom heeft het geen zin om zo'n triviale bron van lichtsignalen verder te beschouwen. Maar noodzakelijk optische signalen kan worden gemaakt met behulp van lasers, die de belichaming waren van de ideeën van Alexei Tolstoj (de hyperboloïde van ingenieur Garin) en H. Wells (de hittestraal van de marsmannetjes).

Wat laserstraling als communicatiemiddel met buitenaardse wezens betreft, zijn hier twee eigenschappen belangrijk. De eerste is het vermogen om een ​​vrijwel niet-divergerende lichtbundel (straal) uit te zenden, wat, zoals we hebben gezien, niet kan worden gedaan met conventionele schijnwerpers. De tweede is het vermogen om krachtige lichtsignalen te creëren die sterren op honderden en duizenden lichtjaren afstand kunnen bereiken.

Een belangrijke eigenschap van laserstraling is de monochromaticiteit (letterlijk “één kleur”). Fysisch betekent dit dat de straling een strikt constante golflengte en dus kleur heeft. Tegelijkertijd zijn er lasers die één strikt gedefinieerde golflengte uitzenden, waarvan de waarde wordt bepaald door de ‘werksubstantie’ van de laser. Zo'n stof kan gasvormig, vloeibaar of vast zijn. In het begin werd er vooral gebruik gemaakt van synthetisch robijnkristal. Bij gebruik van neodymium-geactiveerd glas bedraagt ​​de stralingsgolflengte 1,06 micron. Als werkstof wordt met name kooldioxide CO2 en vele andere stoffen gebruikt. Vloeibare lasers maken het mogelijk om op verschillende golflengten uit te zenden (binnen een bepaald bereik). De straling vindt afwisselend plaats, op elk tijdstip wordt één strikt gedefinieerde golflengte uitgezonden.

Het is ook belangrijk dat lasersystemen het mogelijk maken zeer korte lichtpulsen uit te zenden. Dit is erg belangrijk voor het verzenden van informatie (door reeksen pulsen). De pulslengte kan zo klein zijn dat er in één seconde tot wel duizend miljard pulsen kunnen worden ‘gestapeld’. Tijdens de emissie volgen de pulsen elkaar met een bepaalde vertraging op. Moderne lasers maken het mogelijk om krachtige pulsen te produceren. Dus zelfs pulsen zo kort als hierboven gegeven kunnen een energie hebben van meer dan 10 joule! Hoe langer de puls, hoe groter de energie die deze bevat. In de “vrije generatie”-modus, wanneer de laser zelf de lengte van de uitgezonden pulsen regelt en deze in de orde van een duizendste van een seconde ligt, kan de energie van elke puls enkele duizenden joules bereiken. Lasers maken het mogelijk om niet alleen korte lichtpulsen uit te zenden, maar ook continu. Gaslasers die worden aangedreven door koolstofdioxide kunnen bijvoorbeeld in continue lasermodus werken. In dit geval wordt de straling niet gekenmerkt door de energie van elke puls (aangezien er geen individuele pulsen zijn), maar door de energie per tijdseenheid of, met andere woorden, het vermogen. Zo bereikt het vermogen van lasers die op kooldioxide werken enkele tientallen kilowatts.

Laserstraling wordt ook verstrooid, maar veel minder dan die van spotlights. Dit wordt bepaald door de grootte van de werksubstantie. Straling vanaf het oppervlak van de werksubstantie vindt strikt plaats met dezelfde fase (in fase) over het gehele oppervlak. Daarom hangt de breedte van de door de laser uitgezonden straal af van de grootte van het blok "werksubstantie", dat wil zeggen: hoe groter het oppervlak, hoe smaller de straal van het uitgestraalde licht. De afhankelijkheid van de straalbreedte van de golflengte is direct: hoe korter de golflengte, hoe breder de straal die door de laser wordt uitgezonden. Maar zelfs bij gewone lasers, waarbij de grootte van de werksubstantie ongeveer 1 centimeter is, is de hoek van de lichtbundel 200 keer kleiner dan die van een spotlight. Het is 10 boogseconden. Er zijn natuurlijk lasers met aanzienlijk kleinere lichtuitstralingshoeken.

Om van straaldivergentie af te komen, moet je gebruiken optisch systeem soort telescoop, die het pad van de stralen richt. Als een laserstraal door een lens wordt gestuurd waarvan de brandpuntsafstand gelijk is aan de diameter, zal het werkelijke beeld van de straal in het brandpuntsvlak afmetingen hebben gelijk aan lengte golven. Vervolgens plaatsen we op de plaats waar dit daadwerkelijke beeld van de straal werd verkregen de focus van een andere lens (of spiegel), waarvan de diameter veel groter is dan de eerste. Voor de tweede lens kan de brandpuntsafstand groter zijn dan de diameter, maar deze kan ook gelijk zijn (zoals bij de eerste lens). Deze combinatie van twee lenzen leidt ertoe dat er een straal uit de tweede grote lens (spiegel) zal komen, waarvan de divergentiehoek net zo vaak zal afnemen (vergeleken met de eerste lens die de telescoop binnenkomt) als de diameter van de tweede lens. (spiegel) groter is dan de lengte van de uitgezonden golf. Het is dus heel goed mogelijk om de divergentiehoek van de laserbundel zo veel als gewenst te verkleinen.

Om met buitenaardse wezens te communiceren, zijn zowel communicatiesystemen gebouwd op een enkele laser als die waarop is gebouwd het hele systeem(batterij) van lasers. Als u een continu uitzendende laser met een vermogen van 10 kilowatt en een extra grote spiegel met een diameter van 5 meter gebruikt, kunt u de stralingshoek verkleinen tot 0,02 boogseconden.

Je kunt niet één grote spiegel gebruiken, maar een bepaald aantal spiegels met een kleine diameter (bijvoorbeeld 10 centimeter). Dan moet het systeem evenveel lasers bevatten als er spiegels zijn. Het moet allemaal zeer rigide georiënteerd zijn. Als u 25 lasers gebruikt, kunt u een stralingshoek bereiken die gelijk is aan één boogseconde.

Voordeel lasersystemen(batterijen) voor communicatie in de ruimte is dat het tijdens de werking mogelijk is om de invloed van de atmosfeer van de aarde uit te sluiten. Als u met één laser werkt, wordt de stralingshoek door atmosferische verstoringen aanzienlijk groter dan bij afwezigheid van een dergelijke invloed. Dit effect kan worden ondervangen als het lasersysteem zo wordt geplaatst laserstraal is niet door de atmosfeer gegaan, dat wil zeggen, plaats het op een kunstmatig satellietplatform. In dit geval is het niet nodig een batterij lasersystemen te gebruiken.

Voor het eerst werd de mogelijkheid van communicatie met buitenaardse beschavingen met behulp van een laserstraal in 1961 wetenschappelijk geanalyseerd door Nobelprijswinnaar C.H. Townsom en R.I. Schwartz. Sindsdien is de lasertechnologie in de wereld verbeterd en zijn de omstandigheden voor lasercommunicatie gunstiger geworden. Het belangrijkste dat deze techniek moet opleveren is voldoende stralingsvermogen en het vermogen om de laserstraling die door buitenaardse wezens naar ons wordt gestuurd te scheiden van de straling van sterren. Hoe laserlicht van sterlicht scheiden? Deze vraag is zeker niet eenvoudig en kan alleen worden opgelost dankzij de speciale eigenschap van laserstraling: de hoge monochromaticiteit. Een ster (zoals de zon) zendt licht uit op verschillende golflengten. De laser zendt alleen uit op een strikt gedefinieerde golflengte, bijvoorbeeld 0,5 micron. Op deze golflengte zendt de zon straling uit de grootste energie. Niettemin is de laserstraling 25 keer groter dan die van de zon of een andere soortgelijke ster. Dit geldt uiteraard alleen voor die specifieke golflengte. Bij andere golflengten (zoals de ultraviolette en infrarode gebieden van het spectrum) zou deze verhouding zelfs nog groter zijn, aangezien de zon bij deze golflengten minder dan ongeveer groen licht (0,5 µm) uitzendt.

Zelfs de moderne lasertechnologie maakt het dus mogelijk om straling te creëren waarvan de intensiteit bij een gegeven golflengte voldoende is om geïsoleerd te worden van alle stellaire straling. Om een ​​nog betere afgifte van laserstraling te bereiken, moet je ‘werken’ in de buurt van de absorptielijnen van de zon (of een andere ster), dat wil zeggen in het bereik waar een deel van de zonnestraling wordt geabsorbeerd en deze minder interfereert met de afgifte van laserstraling. . Als de laser werkt op een golflengte van 0,15 micron, kan de spectrale intensiteit ervan tienduizenden keren groter zijn dan de intensiteit van de zonnestraling bij deze golflengte, aangezien deze zich in het absorptiegebied van zonnestraling bevindt. Natuurlijk is ze dat lasermachine moet zich buiten de atmosfeer van de aarde bevinden, anders wordt de laserstraling geabsorbeerd door atmosferisch gas. Bij het opnemen en analyseren van licht van verre sterren moeten we er dus rekening mee houden dat laserstraling die door buitenaardse beschavingen wordt uitgezonden, kan worden gedetecteerd tegen de achtergrond van deze straling. Het zal verschijnen als een smalle lijn. Maar hiervoor is het noodzakelijk om de straling van sterren te analyseren met behulp van hoogwaardige spectrografen. Er kunnen ook zeer smalbandige filters worden gebruikt. Uiteraard moeten deze optische apparaten van zeer hoge kwaliteit zijn: de resolutie van de spectrograaf moet 0,03 A zijn om een ​​contrast van 10% van de laserlijn boven de achtergrond te verkrijgen. Moderne optische technologie maakt dit mogelijk. Daarom kunnen we nu beginnen met het vangen van emissielijnen die tot de krachtigste telescopen behoren laser-apparaten buitenaardse beschavingen.

We hebben vele malen besproken verschillende aspecten het effect van het Dopplereffect op de straling van een bewegende bron. IN in dit geval met dit effect moet ook rekening worden gehouden, omdat door de beweging van stralingsontvangers in de richting van de straling zelf een verschuiving (Dopplerverschuiving) van de stralingsfrequentie in de ene of de andere richting zou moeten optreden. Om deze straling met een verschoven frequentie te detecteren, zijn spectrografen met de juiste resolutie nodig.

Dus zelfs modern niveau lasertechnologie Hiermee kunt u lasersignalen van nabijgelegen sterren ontvangen en terugsturen. Maar er blijft nog één, misschien wel de belangrijkste vraag over: waar moeten we signalen naartoe sturen en waar kunnen we ze ontvangen? In beide gevallen moeten we onze telescopen ergens op richten, en met zeer grote nauwkeurigheid. Hetzelfde wordt van onze correspondenten in de ruimte verwacht. Als ze zich op de dichtstbijzijnde sterren (hun planeten) bevinden, zullen ze de baan van de aarde observeren onder een hoek van één boogseconde. Om hun laserstraal de aarde te laten raken, moeten ze deze richten met een hoekresolutie van 0,02 boogseconden. Een dergelijke precisie is nu beschikbaar voor onze astronomen. Daarom geloven wij dat dit ook haalbaar is voor buitenaardse beschavingen die met ons willen communiceren.

Het is logisch om je voor te stellen dat buitenaardse wezens, op zoek naar communicatie met ons, met een laserstraal in het zonnestelsel zullen ‘rommelen’. Als ze de breedte van de laserstraal (straal) groter maken, zal deze de aarde de hele tijd verlichten en relatief eenvoudig worden vastgelegd. Maar hoe breder de straal, hoe meer energie er moet worden uitgezonden, zodat deze voldoende is om het hele oppervlak dat hij verlicht te bestrijken, zodat hij kan worden geregistreerd. Maar je zou kunnen denken dat deze moeilijkheid voor buitenaardse wezens niet onoplosbaar zal zijn. Door ten minste In aardse laboratoria vindt de toename van het laserstralingsvermogen zeer snel plaats.

Bijzonder effectief lasercommunicatie kan worden gebruikt binnen het zonnestelsel. Met behulp van een laserstraal is het mogelijk om een ​​plek op Mars te creëren met een diameter van 5 tot 7 kilometer, die vanaf de aarde ongeveer 10 keer helderder zal gloeien dan Venus. Een laserstraal kan alle informatie bevatten: de intensiteit ervan kan in de tijd worden gewijzigd volgens elke wet (met andere woorden, laserstraling kan dienovereenkomstig worden gemoduleerd). Het oppervlak van de maan werd verlicht door een laserstraal. Aan de kant van de maan die niet door de zon wordt verlicht, wordt een lichtgevende vlek met een diameter van 40 meter verkregen. Het wordt 100 keer minder verlicht dan bij direct zonlicht.

Deze week heeft NASA resultaten vrijgegeven van de Space Laser Communications Demonstrator (LLCD) over de Lunar Atmospheric and Dust Environment Explorer (of LADEE), die in september van dit jaar werd gelanceerd en momenteel cirkelt om ons heen natuurlijke satelliet. Volgens de ruimtevaartorganisatie heeft het LLCD-systeem blijk gegeven van een zeer hoge efficiëntie van datatransmissie over een afstand van ongeveer 400.000 kilometer en is het al in staat om niet slechter, en misschien zelfs beter, te werken dan conventionele radiozenders.

Voor degenen die het niet weten: de missie van LLCD is om de mogelijkheid aan te tonen praktisch gebruik lasers voor het doorgeven van berichten tussen objecten heel ver uit elkaar en met veel hogere snelheden dan standaard radiozenders kunnen bieden. LLCD demonstreerde het vermogen om gegevens naar de aarde te verzenden met een snelheid van 622 Mb/s en te ontvangen met een snelheid van 20 Mb/s, en vestigde op 20 oktober een record voor gegevensoverdrachtsnelheden vanuit een baan om de maan. De door de laserstraal verzonden gegevens werden ontvangen door het belangrijkste LLCD-grondstation in New Mexico. Er zijn drie vergelijkbare stations in de wereld. De overige twee bevinden zich in Spanje en de VS.

Het belangrijkste voordelen van lasers voordelen van radiozenders zijn dat ze veel hoger bieden doorvoer en bovendien de mogelijkheid om informatie te verzenden met kortetermijnlaserstralen, wat in de toekomst de totale kosten van het stroomverbruik zal verlagen bij het verzenden van informatie over extreem lange afstanden.

NASA merkt op dat het LLCD-systeem 30 dagen actief is testmodus nog beter dan wat er van haar verwacht werd. De laser verzond zonder problemen berichten naar grondstations daglicht en zelfs toen de afwijkingshoek van de maan ten opzichte van de zon vier graden bedroeg. Het systeem werkte ook zonder enige fouten toen de maan heel laag aan de horizon stond, waardoor de laser door dichtere lagen van de atmosfeer werd gedwongen en met enige blootstelling aan de effecten van turbulentie. Astronomen waren ook verrast toen ze ontdekten dat lichte cirruswolken geen probleem vormden voor de laser.

Naast het testen op fouten demonstreerde LLCD de mogelijkheid om van het ene grondstation naar het andere te schakelen, waarmee de mogelijkheid werd gedemonstreerd om op een specifiek station te vergrendelen zonder dat een radiosignaal nodig was.

“We hebben LADEE zo geprogrammeerd dat het automatische modus geactiveerd en stuurde het LLCD-systeem ernaartoe gewenste punt om een ​​lasersignaal naar de aarde te zenden, zonder dat er vooraf radiosignalen met een bemanning naar de sonde hoeven te worden gestuurd”, zegt Don Cornwell, LLCD-projectmanager bij Goddard Space Flight Center.
“Het succes van deze missie stelt ons in staat optimistisch te zijn over de mogelijkheid om vergelijkbare systemen te gebruiken als primaire communicatiesystemen voor toekomstige NASA-missies.”
NASA merkt niet alleen het succes van signaaloverdracht op, maar ook de hoge snelheid van informatieoverdracht van de sonde naar de aarde. Alle gegevens die gedurende deze tijd zijn verzameld (en dit is voor een moment gigabytes aan informatie) werden in minder dan vijf minuten naar de aarde verzonden. Normaal gesproken duurt het enkele dagen om gegevens van dit volume over te dragen.

Het bureau zegt dat de LLCD-missie is voltooid en dat de volgende testfase de systeemverificatie zal zijn van de Laser Communications Relay Demonstration (LRCD)-satelliet, die gepland staat voor lancering in 2017. In de kern zal het systeem een ​​verbeterde versie van LLCD zijn, die gegevens kan overbrengen met snelheden tot 2880 Gb/s met geostationaire baan en zal deel uitmaken van een vijfjarig programma om communicatiesystemen van de volgende generatie te testen.

Op 30 januari werd de Eutelsat 9B-satelliet in een baan om de aarde gelanceerd. Het werd de eerste satelliet die was uitgerust met het EDRS-systeem (European Data Relay System). Meer willen weten over nieuwe technologie, ging een correspondent van Mediasat naar het kantoor van de ontwikkelaar van de EDRS-module, Tesat, gelegen in het kleine Duitse stadje Backnang. Hoofd van de afdeling laser technologieën Mathias Motsigemba gaf ons een rondleiding door het bedrijf en sprak over lasercommunicatietechnologie, die nog steeds weinig bekend is in de wereld.

Met steun van de Duitse ruimtevaartorganisatie heeft Tesat de Laser Communications Terminal (LCT) ontwikkeld, die ondersteuning biedt voor snelle gegevensoverdracht tussen Low Earth Orbit (LEO) en Geostationary Earth (GEO) satellieten. De terminal wel mogelijke overdracht data met een snelheid van 1,8 Gbps over een afstand tot 45.000 kilometer. Deze LCT-terminals moeten de basis worden belangrijkste kanalen datatransmissie in het EDRS-systeem, dat datatransmissie tussen LEO- en GEO-satellieten moet verzorgen.

Mathias Motsigemba: “Nu hebben we de mogelijkheid om diensten te verlenen Hoge kwaliteit in een modus die bijna realtime is. Dit maakt een enorm verschil! De LEO-satelliet maakt een foto en stuurt deze naar de GEO-satelliet, die deze op zijn beurt via radiofrequentie naar de grond stuurt. In een vacuüm is een laserstraal een uitstekende oplossing, maar in atmosferische omstandigheden is dit niet de beste oplossing de beste keuze, aangezien wolken interferentie kunnen veroorzaken. Voor bewaker TV-signaal je kunt gebruiken hoge snelheden gegevensoverdracht en storingsvrij optische technologie op de feederlijn. De opkomst van lasercommunicatietechnologie kan worden vergeleken met het begin van het gebruik van optische vezels in plaats van koper.”

De teleportatie van het aardobservatiesysteem kan een buitenlandse dienst zijn die gebruikmaakt van onbeveiligde terrestrische lijnen.
Dienst voor optische gegevensoverdracht (LEO naar GEO en GEO naar grondtransmissiestation).
Het grondstation kan zich in eigen land binnen de zichtlijn van de GEO-satelliet bevinden.
S/C – soevereiniteit van uw informatiemiddelen.

De noodzaak om deze technologie te ontwikkelen werd ingegeven door de groeiende vraag naar datatransmissiecapaciteit voor civiele en militaire surveillancesatellieten, HALE-missies. Het idee om het EDRS-systeem te creëren werd naar voren gebracht door de Europese Commissie, die al betrokken is bij de Sentinel-satellietconstellatie, het Copernicus-programma. De volgende stap zou het creëren van imoeten zijn. Eutelsat bood capaciteiten voor de communicatiemodule aan Eutelsat-satelliet 9B. Na zeven jaar ontwikkeling van de eerste en tweede generatie LCT's, werd het LCT-systeem in juli 2013 op Alphasat gelanceerd. Het LCT-systeem op de Sentinel-1A-satelliet werd in december 2013 met succes geïntegreerd. In december 2014 werd de Sentinel 1A-satelliet gelanceerd en in gebruik genomen. In november 2014 hielden de European Space Agency en Tesat een gezamenlijke livepresentatie, waarbij een radarbeeld van de satelliet Sentinel-1A via Alphasat bijna realtime over een afstand van 41.700 kilometer naar een grondstation werd gestuurd.

“Technisch gezien is er geen verschil tussen de lasercommunicatieapparatuur die op Alphasat is geïnstalleerd en soortgelijke apparatuur op Eutelsat 9B. Alphasat demonstreerde technische mogelijkheden project, terwijl het EDRS-systeem op de Eutelsat 9 B-satelliet een commerciële dienst is die wordt aangeboden door Airbus Defense and Space. Normaal gesproken heeft een aardobservatiesatelliet 10 minuten de tijd om contact te maken met een grondstation en 90 minuten om in een baan om de aarde te draaien. Dit betekent dat u slechts 10% van het ruimtevermogen kunt gebruiken, en in geval van nood of natuurramp Er wordt te veel tijd besteed aan het wachten op contact met een grondobservatiestation. Nu, tijdens het observeren door zeeschepen Zo kun je bijvoorbeeld binnen 15 minuten een probleem opsporen" , zegt Mathias Motsigemba.

Het belangrijkste element van de productlijn is de LCT-135 (135 mm telescoop) voor de GEO/LEO intersatellietverbinding. Net als bij het vorige model, LCT-125, combineert het apparaat in één eenheid alle optische, mechanische en elektrische submodules van de terminal, zoals het stroomdistributiesysteem, de ingebouwde processor, tracking- en data-acquisitiemodules en het dataverwerkingssysteem. . Gegevens van de AOCS-sensoren van de satelliet worden eenvoudig via de LCT naar de LCT verzonden standaardinterface– LIAU (Laser Interface-aanpassingseenheid).

LCT-parameters:

• Actieradius – 45.000 km.
• Gewicht: 53 kg.
• Gegevensoverdrachtsnelheid (full-duplex):
  voor EDRS – 1,8 Gbit/s, voor andere missies – 5,65 Gbit/s.
• Zendvermogen: 2,2 W
• Maximaal stroomverbruik: 160W
• Afmetingen: 0,6 x 0,6 x 0,7 meter.

Dit hoofdstuk bespreektgie, evenals de voordelen ervan, zoals kosteneffectiviteit; lage bedrijfskosten; hoge doorvoer en kwaliteit van digitale communicatie, evenals snelle implementatie en verandering van netwerkconfiguratie.

Laserapparaten kunnen alles verzenden netwerk stroom, dat aan hen wordt geleverd via glasvezel of koperkabel in voorwaartse en achterwaartse richting. De zender zet elektrische signalen om in gemoduleerde laserstraling in het infraroodbereik met een golflengte van 820 nm en een vermogen tot 40 mW. Lasercommunicatie gebruikt de atmosfeer als voortplantingsmedium. De laserstraal raakt vervolgens een ontvanger met maximale gevoeligheid binnen het golflengtebereik van de straling. De ontvanger zet laserstraling om in signalen van de gebruikte elektrische of optische interface. Dit is hoe communicatie wordt uitgevoerd met behulp van lasersystemen.

Het optische bereik heeft veel karakteristieke kenmerken en maakt het, vanwege de korte golflengte, mogelijk om een ​​hoge stralingsrichting te bereiken, de omvang van antennesystemen aanzienlijk te verkleinen, extreem smalle laserstralen te vormen en een hoge concentratie aan elektromagnetische straling in de ruimte te verkrijgen.

Bij het verzenden van informatie via gemoduleerde elektromagnetische golven is het noodzakelijk dat de modulatiefrequentie 10...100 keer lager is dan de draaggolffrequentie. Bovendien bezetten modulatiefrequenties een bepaalde frequentieband, en de breedte ervan wordt bepaald door de hoeveelheid informatie die per tijdseenheid wordt verzonden. Zo is voor de transmissie van telegraaftekst een frequentieband van 10 Hz nodig, en voor televisiebeelden een frequentieband van 107 Hz en een draaggolffrequentie van minimaal 108 Hz. Het radiobereik beslaat de frequentieband 104…108 Hz en is volledig beheerst. De informatiecapaciteit van het communicatiekanaal in het microgolfbereik (109..1012 Hz) is hoger, maar vanwege de kenmerken van de voortplanting van microgolfstraling in de atmosfeer is communicatie tussen microgolfstations alleen mogelijk op een zichtlijn. afstand. In het optische bereik beslaat alleen het zichtbare gebied de frequentieband van 41014 tot 1015 Hz. Met behulp van een laserstraal is het theoretisch mogelijk om 1015/107 = 108 televisiekanalen uit te zenden, wat verschillende ordes van grootte hoger is dan de moderne behoeften, of 1013 telefoongesprekken. Eén van de voordelen dus optische lijnen communicatie is het vermogen om grote hoeveelheden informatie te verzenden dankzij een ultrabrede frequentieband. Het beheersen van het optische bereik: het creëren van laserlichtbronnen, gevoelige halfgeleider optische stralingsontvangers en het ontwikkelen van glasvezel-LED's met laag verlies opent nieuwe mogelijkheden voor het creëren van communicatiesystemen.

Het optische bereik opent de mogelijkheid om informatie- en controlesystemen te creëren met kenmerken die fundamenteel onbereikbaar zijn in het radiobereik. Tot op heden bestaat er een verscheidenheid aan grond-, luchtvaart- en ruimtesystemen voor optische communicatie, laserbereik, lasersystemen voor lucht- en ruimtevaartmonitoring van de natuurlijke omgeving, luchtverkenningssystemen, systemen om botsingen te vermijden voor bewegende objecten, lasersystemen voor het aanmeren van ruimtevaartuigen, lasergeleiding en laser Er zijn wapencontrolesystemen ontwikkeld.

De potentiële mogelijkheden van laserinformatiesystemen, evenals optische methoden voor informatieoverdracht en -verwerking in het algemeen, zijn zeer groot. Bij veel problemen worden de maximaal haalbare eigenschappen alleen beperkt door kwantumeffecten. In werkelijkheid kunnen de potentiële mogelijkheden van het optische bereik in de praktijk echter niet altijd effectief worden gerealiseerd. Hier zijn veel redenen voor.

De prestatiekenmerken van echte lasersystemen worden sterk beïnvloed door onvermijdelijke fluctuaties in laserstralingsbronnen en willekeurige veranderingen in parameters informatie processen, de effecten van verschillende interferenties, de probabilistische aard van de fotodetectieoperatie. Veel Informatie Systemen optisch bereik wordt opgebouwd met behulp van een open (meestal atmosferisch) kanaal. Bij laserstraling is het atmosferische kanaal een kanaal met een willekeurig inhomogeen voortplantingsmedium. De effecten van absorptie van optische straling door atmosferische gassen, moleculaire en aërosolverstrooiing, vervormingen van de spatio-temporele structuur en verstoring van de coherentie van laserstraling - dit alles heeft een merkbare impact op het energiepotentieel, de principes van informatiesignaalverwerking en bereik van de actie gecreëerde systemen. Alle genoemde kenmerken laten zien dat de analyse van laserinformatiesystemen en de beoordeling van hun potentiële en feitelijk haalbare kenmerken niet kan worden uitgevoerd zonder een probabilistische studie van de structuur van informatiesignalen en interferentie.

Tot op heden zijn er talloze resultaten verzameld over de probabilistische analyse van verschillende lasersystemen. De meeste van deze resultaten lijken echter zeer uiteenlopend, ze zijn niet gebaseerd op een uniforme aanpak en zijn vrij moeilijk te gebruiken bij praktische problemen. De behoefte aan aanvullend gedetailleerd onderzoek naar de probabilistische structuur van signalen, interferentie en, in het algemeen, informatieprocessen in de radio-optica, houdt verband met de noodzaak om wiskundige modellen te verbeteren, problemen op te lossen bij het optimaliseren van de structuur van signalen en systemen, en nieuwe veelbelovende algoritmen te ontwikkelen. voor het verzenden, ontvangen, converteren en verwerken van informatie in optische informatiesystemen.

Lasercommunicatie is een alternatief voor radio-, kabel- en glasvezelcommunicatie. Lasersystemen maken het mogelijk om een ​​communicatiekanaal te creëren tussen twee gebouwen die zich op een afstand van maximaal 1,2 km van elkaar bevinden, en om telefoonverkeer (snelheid van 2 tot 34 Mbit/s), data (snelheid tot 155 Mbit/s) te verzenden ) of hun combinatie. In tegenstelling tot draadloze radiosystemen bieden lasercommunicatiesystemen een hoge ruisimmuniteit en transmissiegeheimheid, omdat ongeautoriseerde toegang tot informatie alleen rechtstreeks vanaf de zendontvanger kan worden verkregen.

Een bedrijf dat lasercommunicatie gebruikt om het belangrijkste (back-up) communicatiekanaal voor de korte afstand te creëren, zal niet alleen de noodzaak wegnemen om nieuwe bedrade communicatie, maar ook vanuit de noodzaak om toestemming te verkrijgen voor het gebruik van de radiofrequentie. Bovendien zullen het lage kostenniveau voor het organiseren van een krachtig communicatiekanaal, evenals de korte tijd die nodig is om het in gebruik te nemen, zorgen voor een snel rendement op de investering. Een breed scala aan mogelijkheden en onbetwiste voordelen van laserapparatuur maken het gebruik ervan dus de beste oplossing voor het probleem van het organiseren van een betrouwbaar communicatiekanaal tussen twee gebouwen.